基于MATLAB的微型燃气轮机发电系统的建模与仿真.docx
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基于MATLAB的微型燃气轮机发电系统的建模与仿真
基于MATLAB的微型燃气轮机发电系统的建模与仿真
独立运行和并网模式下微型燃气轮机的建模与性能分析
ModelingandPerformanceAnalysisofMicroturbineinIndependentOperationandGrid-ConnectionMode
ABSTRACT:
Themicroturbinegenerationsystemwillbethemostwidelyuseddistributedgenerationinthenearfuture.AccordingtothedynamiccharacteristicsoftheMicroturbinesystem,amathematicmodelwhichtreatstheMicroturbineanditselectricsystemasawholeisbuilt.FurtherresearchesonthebasiccontroloftheMicroturbinesystemarepresented.ThedynamiccharacteristicsoftheMicrogasturbinesystemareemphasized,especiallythecharacteristicsoftheloaddisturbance.SimulationresultsdemonstratethemodeliscoordinatetotherealMicroturbinesystem.ThegeneralpurposeofthisprojectisforfurtherresearchingthermodynamicenginecontroloftheMicroturbineandgivingthebasicresourcestocorrespondingcontrolofinvertercontrolofgeneratorelectricside.
KEYWORDS：
distributedgeneration;microturbine;modeling;simulation;PWM
摘要：
微型燃气轮机发电系统是一种具有广泛应用前景的分布式发电系统。
根据微型燃气轮发电机系统的动态特性，把微型燃气轮机及电气部分当作一个整体，建立了微型燃气轮发电机系统完整的数学模型，并进一步研究了微型燃气轮机和逆变器的基本控制策略，重点研究该系统的动态特性，特别是负荷扰动时的动态特性，仿真结果表明该系统模型能够反映实际微型燃气轮发电机系统。
本论文的工作为进一步研究微型燃气轮机的热机控制与电气侧的逆变器控制的协调控制策略奠定了基础。
关键词：
分布式发电；微型燃气轮机；建模；仿真；PWM
1引言
近年来，以风力发电、光伏电池和微型燃气轮机（Microturbine）等为代表的分布式发电DG（DistributedGeneration）技术的发展已成为人们关注的热点。
其中，微型燃气轮机发电系统是一种技术上最为成熟、商业应用前景最为广阔的分布式发电技术，其相关研究问题已被列为国家“863”专项研究计划。
微型燃气轮机一般是指功率在几百千瓦以内的小型热动装置，与常规发电机组相比，微型燃气轮机具有寿命长、可靠性高、燃料适应性好、环境污染小和便于灵活控制等优点[1]，它是分布式发电的最佳方式，可以靠近用户，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。
典型微型燃气轮机发电系统结构图如图1所示。
该独立电网系统由微型燃气轮机、永磁发电机、整流器、逆变器和负荷组成，其中微型燃气轮机透平包含压缩器、能量回收器、燃烧室以及带一个负荷的动力透平机。
其工作原理为：
从离心式压气机出来的高压空气先在回热器内由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡轮做功，直接带动高速发电机（转速在50000～120000r/min之间）发电，高频交流电流经过整流器和逆变器，即“AC-DC-AC”变换转化为工频交流电输送到交流电网[2]。
图1微型燃气轮机发电系统结构图
Fig.1 Blockdiagramofmicroturbinegenerationsystem
微型燃气轮机发电系统的数学建模是对其实施控制的基础。
国内外在这方面已进行了一定研究，但一般都把微型燃气轮机与电气系统分开建模，文献[3]对微型燃气轮机进行了模块化建模，建立了微型燃气轮机的六阶系统模型；文献[4]只对微型燃气轮机进行建模与控制；文献[5]把逆变器之前的环节等效为一个电压源，而只对逆变器进行控制。
而微型燃气轮机是一个完整的系统，等效处理和分开建模会割裂燃机系统和发电系统之间的内在耦合联系，不利于实现燃机系统和电气系统之间的协调控制设计[6]。
本文从微型燃气轮机的工作原理出发，建立了完整统一的微型燃气轮发电机系统的仿真模型，为接下来的研究工作奠定了基础。
2微型燃气轮机发电系统整体建模
2.1微型燃气轮机及其控制模型
微型燃气轮机的控制包括转速控制、温度控制和燃料控制，在正常运行时，微型燃气轮机的转速控制系统使得在一定负荷时维持转速基本不变。
微型燃气轮机不同于大型燃气轮机，其转速控制分为定转速和变转速两种方式，对于大型汽轮机，转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的[7-8]。
透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命，因此透平入口温度也是一个很重要的控制参数，在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值。
该模型的结构框图如图2所示。
图2微型燃气轮机结构图
Fig.2Microturbinesystemarchitecture
2.2微型燃气轮机的数学模型
本文所建立的微型燃气轮机发电系统模型主要用于研究正常运行方式下的慢动态过程特性，不考虑开机与停机的快动态过程。
参照文献[9-13]，本文以适用于重载燃气轮机的Rowen模型为基础建立微型燃气轮机模型，如图3所示,转速为额定转速的95%～107%。
建模时没有考虑回热器，因为回热器用于提高发电机效率，并且响应速度慢，对研究微型燃气轮机的机—电特性影响不大[14]。
图3模型主要包含转速控制、温度控制、加速控制、燃料系统、压缩机—涡轮系统等部分。
转速控制、加速控制和温度控制分别产生3种燃料参考指令，通过低值选择开关（min模块）和高低限值模块（limit模块）作用后，产生最终的燃料参考指令送入燃料系统[11]。
图3微型燃气轮机模型
Fig.3 Modelofmicroturbineimplemented
微型燃气轮机与蒸汽轮机有许多不同之处，最明显的区别就是微型燃气轮机在没有负荷的情况下，为了维持正常的运行需要燃料量占了额定燃料量很大的比重，本论文取23%的额定燃料量作为微型燃气轮机的基荷，因此微型燃气轮机要尽量避免运行在低负荷状态以提高经济效益。
这一点将会在仿真中得到验证；第二个区别是转速控制的方式，对于大型汽轮机，转速控制系统通过改变蒸汽流量来保持转速不变，而微型燃气轮机是改变燃料量来控制转速的。
透平入口温度过高直接影响透平的安全性及系统的寿命，因此透平入口温度控制也是一个很重要的控制部分，在正常运行时，也是通过改变燃料量来控制透平入口温度不超过其最大设计值。
燃料系统中，门阀定位器与燃料制动器的传递函数
为：
（1）
压缩机—涡轮系统中，涡轮转矩输出函数
为：
（2）
式中：
Wf为燃料流量信号（标幺值）；ω为发电机转速（标幺值）。
排气温度函数
为：
（3）
式中：
tR为参考温度,单位为℃。
转矩方程在100%负荷的情况下基本上是精确的，在其他情况下会存在小于5%的误差，排气温度方程相对来说不是那么精确，但由于温度控制只在温度参考值附近起作用，因此可以忽略其带来的影响。
2.3永磁同步发电机及整流器模型
在本文的微型燃气轮机发电系统中，同步发电机为永磁体励磁的永磁同步发电机。
由于永磁同步发电机和整流器部分都是不可控的，建模时可以适当简化，本文提出一种“统一”模块化思想将发电机及整流器部分作为一个整体来建立模型。
永磁同步发电机及整流器可以通过带交流电源的三相全波桥式整流器进行建模，如图4所示。
图4永磁同步发电机及整流器等效电路
Fig.4 Equivalentcircuitofpermanentmagnetsynchronousgeneratorandrectifier
图4中，电感为发电机每相电感的等效值，同时忽略发电机的损耗。
一般微型燃气轮机采用的永磁同步发电机为2极，从而有机械角速度与电角速度相等。
对于理想的、无负荷的永磁同步发电机，其线电压
为[15]：
（4）
式中：
为固定电压值；ω为发电机电角速度。
考虑换相重叠角，全波直流桥整流器的输出电压
为[14]：
（5）
式中：
为交流侧线电压的有效值；
为换相角，对于不可控整流器，
=0；L为发电机定子绕组漏感；
为整流器直流侧电流。
由于
=0，从而有：
（6）
由式（4）和式（6）可知，直流电压可由角速度和电流表示，取
（7）
则
（8）
式中：
，单位为
/rad；
单位为V·s/rad。
根据电路原理有：
（9）
式中：
C为直流平波电容；Il为整流器负荷电流。
整流器输出的电磁功率为：
（10）
假设忽略整流器损耗，则整流器输出的电磁功率与永磁同步发电机输出的电磁功率相等。
根据转矩与功率的关系，发电机输出的电磁转矩
为：
（11）
假设忽略发电机阻尼，发电机转子运动方程为：
（12）
式中：
J为转子的转动惯量。
式（7）描述了微型燃气轮机发电系统机—电的固有特性，而式（12）是永磁同步发电机及整流器部分与微型燃气轮机部分连接的关键。
根据上述方程可以得到永磁同步发电机及整流器的简化模型，如图5所示。
图5永磁同步发电机及整流器模型
Fig.5 Modelofpermanentmagnetsynchronous
generatorandrectifier
按照上述“统一”模块化思想建立永磁同步发电机及整流器整体模型的方法较分开建模简单，依然能够实际反映出负荷变化时微型燃气轮机与电力电子装置间的相互影响，这也是等效模型无法实现的。
图5模型的输入、输出全是有名值，需要将该部分转换为标幺值后才能与微型燃气轮机部分相连接。
2部分模型相连后组成的“统一”模型中，输入Il的变化是控制微型燃气轮机燃料输出的关键。
Il变化,永磁同步发电机的转速发生相应变化，进而微型燃气轮机的燃料流量也要发生相应变化，反映了微型燃气轮机动力系统与电气系统间的内部耦合联系[16]。
2.4逆变器及SPWM调制的数学模型
逆变器接收整流侧输出直流并将其逆变为工频交流，同时根据微电网不同的运行方式可以对其进行相应的控制。
当微电网独立运行时，通过控制逆变器来控制负荷端的电压及频率，即
控制，以维持整个微电网的电压和频率；当微电网并网运行时，为减少微电网对大电网的冲击，对逆变器采用
控制，即按照给定的功率输出来控制其与电网间的功率交换。
具体的逆变器模型如图6所示。
图6带V/f和PQ控制的SPWM逆变器
Fig.6 SPWMinverterwithV/fandPQcontrol
该系统的逆变器采用SPWM调制方法，SPWM控制是基于采样控制理论中的一个结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
把三相正弦波作为调制信号，把接受调制的三角波信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的SPWM波形。
对逆变器采用了双闭环控制，该方法的控制回路拥有两个闭环，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制，但由于
轴相互耦合因而控制器的设计比较困难，并且系统与孤立电网连接，系统的频率由负荷所确定，因此对逆变器的输出电压进行控制即能获得较好的效果，并且采用简单的
控制即可。
当微型燃气轮机系统作为一个孤立的电力网络运行时，可以通过控制逆变器来控制负荷的电压及频率，而有功和无功输出则根据负荷的需要自动的调整；当该系统与电网并联运行时，由于电网的电压和频率是一定的，因此采用定功率控制可以控制其与电网的功率交换。
本论文研究微型燃气轮机系统作为一个独立的电力网络时的情况，对逆变器采用PWM调制方法，通过
控制器把逆变器出口的电压控制在380V，并在逆变器的出口设置滤波电感来消除部分由逆变器产生的谐波。
本文中，整流器模型的输出是数字信号，而逆变器模型的输入是电气信号，因而将直流电压源改成直流受控电压源，控制信号为整流器输出的直流电压，就可将逆变器与整流器（包括之前的微型燃气轮机和永磁同步发电机）部分统一在一起，构成整个微型燃气轮机发电系统，如图7所示。
图7微型燃气轮机发电系统整体模型
Fig.7 Modelofmicroturbinegenerationsystem
3系统仿真及分析
本文应用MATLAB软件中的Simulink进行建模仿真，以独立运行方式为例，对所建立的微型燃气轮机发电系统模型进行仿真，通过仿真分析微型燃气轮机与电力电子变流装置及负荷之间的相互影响。
3.1微型燃气轮机发电系统仿真
本文采用MATLAB软件中的Simulink进行可视化仿真，仿真模型如图8所示。
图8微型燃气轮机发电系统整体仿真模型
Fig.8 Simulationmodelofmicroturbinegenerationsystem
此仿真主要模拟微型燃气轮发电机系统在负荷扰动时所表现的动态特性，在仿真的初始阶段，微型燃气轮机系统工作额定转速且不带负荷的情况下，在25s的时候给该系统加上10kW的负荷，并在50s的时候切掉10kW的负荷。
仿真结果如图9～14所示。
从图9、图10、图13和图14中可以看出，微型燃气轮机空载达到稳态时，转速达到额定值1，机械转矩为0，但此时燃料流量却保持在0.23。
这一点验证了上文所提到的微型燃气轮机为维持正常运行所需要的基础燃料为设定值0.23。
从整个仿真过程来看，微型燃气轮机所能调整的燃料量范围为23%-100%，这个范围正好与0-100%的负荷功率相对应。
从图10中可以看出，空载时转子的速度为1，当负荷上升到10kW时，转速下降到0.98，整个仿真过程转速都维持在额定转速附近。
从图11、图12、图13可以看出当燃气轮机达到稳定状态时，温度和速度偏差都为稳定值，说明所建系统是稳定的。
图9燃料量WF仿真曲线
Fig.9 SimulationcurvesforFuelflow
图10转速
仿真曲线
Fig.9 Simulationcurvesforrotorspeed
图11速度偏差dw的仿真曲线
Fig.11 Simulationcurveofvelocitydeviation
图12排气温度TE的仿真曲线
Fig.12 Simulationcurveofexhausttemperature
图13机械转矩Mm的仿真曲线
Fig.13 Simulationcurveofmechanicaltorque
图14负荷转矩Me的仿真曲线
Fig.14 Simulationcurveofloadtorque
3.2永磁发电机及整流器仿真
图15、图16给出了微型燃气轮发电机系统的电气侧的仿真结果，当微型燃气轮机带无负荷时，整流器的输出电流为0.01，直流电压为0.88，负荷上升到10kW时，整流器的输出电流为0.01，直流电压下降到0.85，同时，整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，但基本维持在380V左右。
以上数值为标幺值，本文选取的基准值为UB=400V，SB=100M.因此将以上数值换算成有名值时，当微型燃气轮机带无负荷时，整流器的输出电流为0A，直流电压为352V，当负荷上升到10kW时，整流器的输出电流为25A，直流电压下降到340V，在整个动态过程中随着负荷的增加电压有所下降，但基本维持在380V左右。
图15整流器输出的电流
Fig.15 Currentoftherectifier
图16整流器输出的电压
Fig.16 Voltageoftherectifier
本文重点是能否正确的设置仿真参数，尤其是仿真时间的设置。
如果仿真时间设置的过长，一些过渡过程很可能就看不到；如果仿真时间设置的过短，那么系统还未达到稳定状态仿真过程就结束了。
经过了多次尝试才最终确定了最终的仿真时间。
3结论
本文详细的研究了微型燃气轮发电机系统的动态数学模型，并根据需要对微型燃气轮机进行速度控制、温度控制和燃料控制，逆变器也采用SPWM调制方法，而对永磁发电机和逆变器采用了简化处理。
通过仿真可以得出如下结论：
1）从0到100%负荷范围内，燃机的排气温度能够很好的控制在额定排气温度以下，并且燃料的供应随负荷的变换相应速度快，即该模型能够很好的跟踪负荷的变化，发生扰动时能够很快的稳定下来，但转速需要经过较长的时间才能达到稳态值。
2）逆变器通过SPWM调制可以很好的对出口电压进行控制，并且在甩负荷时能够根据负荷的需要调节功率的输出。
与MATLAB提供逆变器器件仿真模型比较，仿真精度令人满意。
3）文中的控制大多采用控制器，这种控制方法简单易行，但要获得更佳的综合控制鲁棒性和机电控制协调性，尚需考虑引入更高级的非线性鲁棒协调控制方法。
本文所建立的微型燃气轮机发电系统仿真模型，不
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